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車用鋰離子電池的充電策略

2021-11-19 19:45:38·  來源：AutoAero  
　
摘要針對(duì)LiFePO4電池的常用充電策略，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，包括CC-CV（恒流-恒壓）充電和脈沖電流充電。CC階段充電溫度和充電電流是CC-CV充電策略需要研究的主要因素
摘要
針對(duì)LiFePO4電池的常用充電策略，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，包括CC-CV（恒流-恒壓）充電和脈沖電流充電。CC階段充電溫度和充電電流是CC-CV充電策略需要研究的主要因素，從三個(gè)方面分析CC階段和CV階段對(duì)整個(gè)充電的貢獻(xiàn)，包括時(shí)間百分比、充電能效與電池在不同溫度和充電電流下的容量。關(guān)于脈沖充電策略，從能量損耗的角度確定脈沖頻率，然后進(jìn)行不同脈沖模式、不同占空比以及不同充電溫度和充電電流的脈沖充電實(shí)驗(yàn)，研究脈沖充電的特性。為了消除電池極化，我們優(yōu)化了電池電壓達(dá)到截止電壓前充電結(jié)束時(shí)的充電電流，優(yōu)化包括將大電流轉(zhuǎn)換為小充電電流或脈沖充電電流.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小充電電流不僅可以縮短充電時(shí)間，還可以提高充電效率。這種策略適用于鋰離子電池的快速充電。

引言
LiFePO4電池耐高溫，壽命超過2000次循環(huán)。即使在特別嚴(yán)重的交通事故中，磷酸鐵鋰電池也不會(huì)爆炸。因此LiFePO4廣泛用于商用車。鋰電池的放電過程是不可控的，而充電過程是一個(gè)相對(duì)可控的過程。我們可以通過采用合適的充電方式來優(yōu)化鋰離子電池的充電過程，以滿足電動(dòng)汽車的需求。

傳統(tǒng)的充電方式主要有CC（恒流）、CV（恒壓）、CCCV（恒流恒壓）。這些方法雖然相對(duì)簡單易行，但都存在充電時(shí)間長、方法單一、容易損壞電池等缺點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)充電方式的不足，提出了一些新的充電方式，如分段恒流充電和脈沖充電。這些方法提高了充電效率，減少了電池的充電時(shí)間，延長了電池的使用壽命。但其還達(dá)不到市場應(yīng)用階段。

CCCV是CC充電和CV充電兩種方式的簡單組合。電池在開始時(shí)以恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，轉(zhuǎn)入第二階段充電恒壓充電，此時(shí)電流逐漸減小。當(dāng)充電電流下降到某個(gè)值時(shí)，電池已充滿電。

脈沖充電是一種快速充電方式，可有效消除電池極化，減少充電時(shí)間。其原理是在每段正向充電脈沖后加上一個(gè)充電停止時(shí)間或一個(gè)放電脈沖。脈沖充電有兩種形式：正脈沖充電和正負(fù)脈沖充電。在正脈沖中間加一個(gè)停止時(shí)間，正負(fù)脈沖充電形式在正脈沖后加一個(gè)放電脈沖。

多階段充電是在充電初期電流較大，隨著充電的繼續(xù)，電流逐漸減小，使電流曲線盡可能接近可接受的充電電流曲線。有人提出了末期分段恒流充電的控制參數(shù)，該控制參數(shù)由容量梯度法確定。當(dāng)電池電壓達(dá)到充電終止容量梯度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，終止當(dāng)前階段恒流充電

我們以磷酸鐵鋰電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究鋰離子電池的充電模型和充電策略。主要從三個(gè)方面進(jìn)行研究：首先是LiFePO4在CC和CV充電過程中的特性；其次，通過實(shí)驗(yàn)分析，找出脈沖充電的優(yōu)點(diǎn)和適用環(huán)境；最后對(duì)充電策略的確定提出了一些建議，以縮短充電時(shí)間，提高充電效率。

CCCV實(shí)驗(yàn)
對(duì)于磷酸鐵鋰電池，充電電流可達(dá)2C以上，充電截止電壓3.65V，額定電壓3.2V，放電終止放電電壓2.0V。
通過大量實(shí)驗(yàn)研究了充電電流和充電溫度對(duì)LiFePO4的CCCV特性影響。我們確定了LiFePO4充電的最佳溫度范圍，然后分別研究了CC階段和CV階段的充電特性。充電時(shí)間、有效充電量、充電能效（充電能量占總消耗能量的比值）作為充電性能指標(biāo)。
CCCV的結(jié)果如圖1所示：當(dāng)溫度升高時(shí)，充電時(shí)間會(huì)急劇減少，尤其是在溫度很低的時(shí)候；剛開始充電能量會(huì)顯著增加，然后穩(wěn)定在8.6Ah左右。我們可以得出結(jié)論，30°C~50°C是CCCV的最佳充電溫度范圍。


圖1 CCCV在不同溫度下的性能
我們?cè)?0℃下采用0.5C、1C、1.5C、2C、2.5C恒流恒壓充電，然后進(jìn)行1C標(biāo)準(zhǔn)放電實(shí)驗(yàn)。得到性能與充電電流的關(guān)系。如圖2所示：當(dāng)充電電流增大時(shí)，CCCV的充電時(shí)間縮短，充電效率降低，充電能效降低。


圖2 不同電流下的性能
CC階段實(shí)驗(yàn)
作為CCCV測(cè)試，我們研究了充電溫度和電流對(duì)CC的影響。CC在不同溫度和電流下的性能如圖3和圖4所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，充電時(shí)間、充電容量和能效都在增加。對(duì)于CC，為了縮短充電時(shí)間，提高有效充電容量和能效，充電溫度要求相反。當(dāng)充電電流增大時(shí)，充電時(shí)間、容量和充電能效均降低


圖3 不同溫度下CC的性能


圖4 不同電流下CC的性能
CV階段實(shí)驗(yàn)
使用CCCV數(shù)據(jù)減去CC的數(shù)據(jù)我們可以計(jì)算出CV階段的充電時(shí)間、充電容量和能量效率。如圖5和圖6所示：當(dāng)溫度升高時(shí)，充電電流、充電時(shí)間和容量均下降。當(dāng)電流增加時(shí)，充電時(shí)間和容量增加。CV階段占用的時(shí)間比CC階段多，但充入電池的電量較少。


圖5 不同電流對(duì)CV的影響


圖6 不同溫度對(duì)CV的影響
如圖7和圖8所示：當(dāng)溫度升高時(shí)，CV的充電容量下降。隨著充電電流的增加，CV的充電時(shí)間增加，充電容量增加。與CV相比，CC可以縮短充電時(shí)間，提高充電能效，大部分電量由CC充電。CC中充電的容量占CCCV的90%以上。但是CV是充電所必需的，在充電結(jié)束時(shí)，高SOC區(qū)域是電池壽命的敏感區(qū)域，CV可以避開這個(gè)區(qū)域，延長電池壽命


圖7 CV在不同溫度下的充電電流曲線


圖8 CV在不同電流下的充電電流曲線
脈沖充電
對(duì)于鋰離子電池，充電電流可達(dá)2C以上。若采用2C恒流充電，充電約20分鐘后充電容量達(dá)到額定容量的80%，滿足快充要求。采用脈沖充電，增大充電電流時(shí)，雖然可以縮短充電時(shí)間，但容易造成鋰離子電池過充。因此，本文認(rèn)為，對(duì)于動(dòng)力型鋰離子電池，脈沖充電不是為了增加充電電流，縮短充電時(shí)間，而是適用于慢速充電的情況。當(dāng)充電時(shí)間充足時(shí)，采用脈沖充電，提高充電能效。本章通過實(shí)驗(yàn)找出各參數(shù)對(duì)脈沖充電的影響，確定最佳脈沖參數(shù)。然后，通過大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出充電電流和充電溫度對(duì)脈沖充電的影響，。最后，通過實(shí)驗(yàn)分析，找出了脈沖充電的優(yōu)點(diǎn)和脈沖充電的適用環(huán)境
不同的休息時(shí)間
我們?cè)谙嗤臅r(shí)間（5秒）為電池充電并在不同的時(shí)間休息。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)trest=5s，即tchg(chargetime):trest(resttime)=1:1時(shí)，充電容量和能量效率最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖9和表1


圖9A 不同休息時(shí)間的電壓曲線。


圖9B 不同休息時(shí)間末期電壓曲線


表1 脈沖充電與CC相比的增加
不同的充電時(shí)間
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、11和表2所示。在tchg:trest=1:1的條件下，我們?cè)诓煌难h(huán)中使用脈沖充電，以找出循環(huán)時(shí)間的影響。此后T=6s的性能優(yōu)于T=6min。當(dāng)tchg和trest的比例設(shè)定時(shí)，建議選擇短周期的rime


圖10 不同充電時(shí)間周期的電壓


圖11A 不同脈沖充電形式的電壓曲線


圖11B 不同脈沖充電形式的末級(jí)電壓曲線


表2 不同充電時(shí)間周期的性能
充電形式
脈沖充電有兩種形式：一種是只正脈沖一段時(shí)間，然后休息。另一種稱為反射充電或Burp充電，在一個(gè)正脈沖后，加上一個(gè)放電脈沖形成正負(fù)充電脈沖。我們比較了兩種不同的脈沖形式，第一種充電形式的性能更好。在表3中我們可以看到，第一種形式的充電時(shí)間比另一種形式少得多。放電能量效率為76.22%，低于第一種形式。綜合考慮充電時(shí)間、放電功率和充電能效，正脈沖充電效果優(yōu)于正負(fù)脈沖充電效果。而tchg:trest=1:1時(shí)，充電周期越短，有效充電的容量越多，充電能效越高。


表3 不同脈沖充電形式的性能
溫度和電流的影響
溫度和電流對(duì)脈沖充電也有影響，所以我們?cè)诓煌臏囟群碗娏飨逻M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。溫度低時(shí)脈沖充電效果更好。如圖12和圖13所示：與CC相比，脈沖充電顯著提高了容量和能源效率。當(dāng)溫度較低時(shí)，脈沖充電在標(biāo)準(zhǔn)放電下放電，充電能效也有所提高。充電電流大時(shí)，脈沖充電較好。并且脈沖充電對(duì)充電電流的變化不敏感，對(duì)充電電流的穩(wěn)定性要求不高。


圖12 不同溫度下的電壓曲線


圖13 不同脈沖充電電流下的電壓曲線
末期充電策略
現(xiàn)有研究已經(jīng)表明鋰枝晶在CC結(jié)束時(shí)開始產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^降低電流或使用脈沖充電來降低充電曲線，這意味著可以降低充電電流和脈沖去極化。在CC結(jié)束時(shí)，小電流充電可以降低Li+還原的速度，或者利用脈沖充電的剩余時(shí)間減少石墨表面的Li+，有利于以后的充電。因此，可以采用小電流充電、脈沖充電和小電流脈沖充電三種充電模式來優(yōu)化最終充電。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)三種充電方式進(jìn)行了研究和分析。我們以電壓、充電時(shí)間、有效容量、充電能效為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
小電流實(shí)驗(yàn)
為了研究小電流插入點(diǎn)對(duì)充電的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了2C、3C兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別在3個(gè)SOC點(diǎn)的85%、90%、95%處插入小電流充電。從端電壓、充電時(shí)間、有效充電容量和充電能效四個(gè)方面，我們找到了小電流的最佳插入SOC點(diǎn)。結(jié)果如圖16、圖17和表5：充電結(jié)束時(shí)，如果減小電流，充電時(shí)間和容量會(huì)增加，能效保持穩(wěn)定。因此，我們通過優(yōu)化充電時(shí)間來縮短充電時(shí)間并提高容量范圍。小電流的插入點(diǎn)應(yīng)靠近充電曲線的拐點(diǎn)（通常在95%SOC附近）
為了研究小電流對(duì)充電的影響，設(shè)計(jì)了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。充電初期采用3C大電流充電。2C和1C小電流充電插在90%SOC點(diǎn)，比較性能，確定小電流。當(dāng)我們?cè)诔潆娊Y(jié)束時(shí)使用小電流時(shí)，充電時(shí)間增加，能效介于大CC和小CC之間，充電容量增加。因?yàn)槟┒说男‰娏髦皇怯脕頊p少電池極化，所以能效的提升并不大。因此，在充電初期采用大電流充電，小電流充電時(shí)，充電后期采用充電方式。充電時(shí)間增加較少，可增加一定的有效充電量，不損失充電能效。同時(shí)，電流到底不能太小，因?yàn)槌潆姇r(shí)間比容量增加的多


圖14 不同充電電流下的端電壓曲線


圖15 不同電流下的端電壓曲線


表4 小電流充電結(jié)束時(shí)的性能
脈沖充電實(shí)驗(yàn)
對(duì)于脈沖充電，我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：我們?cè)诔潆姵跗诓捎?C（3C）CC，當(dāng)SOC達(dá)到90%時(shí)，我們采用2C（3C）1/1s脈沖充電直到截止電壓（3.7V）。與CC相比，充電容量和能量效率有所提高。充電時(shí)間略有增加。如圖16所示：在充電結(jié)束時(shí)，采用脈沖充電。與恒流充電相比，充電時(shí)間略有增加，充電容量和能效提高


圖16 不同形式（CC或脈沖）的終端電壓曲線
脈沖充電小電流實(shí)驗(yàn)
對(duì)于脈沖小電流充電，我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：充電初期采用2C（3C）CC，當(dāng)SOC達(dá)到90%時(shí)，采用2C（3C）1/1s脈沖充電直至截止電壓(3.7V)。如圖17、18和表5所示：與CC和脈沖充電相比，充電容量和能效有所提高，但充電時(shí)間大幅增加，因此不適用于快速充電。


圖17 不同電流下CC脈沖的端電壓曲線


圖18 不同電流下CC脈沖的端電壓曲線


表5 不同小脈沖電流的性能
所以說，CC更適用于鋰離子電池，可以在更短的時(shí)間內(nèi)充入大量電量，同時(shí)提高充電能效。因此，CC可用于快速充電。脈沖充電主要適用于慢速充電，因?yàn)樗枰嗟臅r(shí)間來提升容量，從而提高能源效率。實(shí)驗(yàn)表明，無負(fù)脈沖的模式更好，除了減少充電周期外，選擇tchg:trest=1:1會(huì)提高脈沖充電的性能。本文針對(duì)充電末期提出了三種充電方式：小電流充電、脈沖充電和小電流脈沖充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在末期采用小電流充電是最佳選擇。充電時(shí)間最短，容量最高，充電能效不低，適合磷酸鐵鋰的快速充電。

文獻(xiàn)來源：Yu, P., et al. (2019). Experiment Studies of Charging Strategy for Lithium-Ion Batteries. SAE Technical Paper Series.
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